自悬浮定向流纳米金属粉末制备的理论模拟

叙述了自悬浮定向流纳米金属粉末的制备原理，建立了在惰性气体介质中金属液滴表面蒸发 形成悬浮微粒过程的数学模型.描述了蒸发金属液滴表面层的热流动、物质迁移、热扩散、 凝聚相初始核的形成、金属蒸气在粒子表面的凝聚、粒子相互凝聚等过程，考虑了物质迁移 系数等动力学参数对温度的依赖关系.预测了指定粉末尺寸分布下的最佳工艺条件. 关键词： 纳米金属粉末 凝聚理论模拟 自悬浮定向流     

基于亚波长管道增强的漩涡声场悬浮操控微粒和液滴的实验研究

声悬浮技术可以在无接触的情况下操控微粒和液滴,因此已被广泛应用于化学分析、液滴动力学和生物反应器等领域.目前声悬浮技术的主要工作是在开放环境中进行悬浮等操控.本文提出了亚波长管道增强型空气声镊的概念,利用亚波长声波导管进行声场操控及微粒和液滴悬浮.通过4个小型换能器激发有限长度亚波长圆波导管的单一低阶声学模态,可以在有限长度的波导管内产生漩涡声场.实验发现由于亚波长结构对声场的增强作用,亚波长管道增强的漩涡声场在径向和轴向悬浮力大小上均有较大提升,因此可对发泡聚苯乙烯颗粒和水滴实施悬浮和自转等操控.这项工作将亚波长声波导管的概念引入声场操控中,有望加深对声场和物质相互作用的物理理解,开发新型小型化悬浮微粒和液滴的声学操纵器件.     

液滴撞击加热壁面传热实验研究

本文采用高速摄像仪对水滴和乙醇液滴撞击加热壁面后的蒸发过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击加热壁面后的蒸发特性参数. 实验中, 两种液体初始温度均为20 ℃, 不锈钢壁面初始温度范围为68-126℃. 水滴初始直径为2.07 mm, 撞击壁面时Weber 数为2-44; 乙醇液滴初始直径为1.64 mm, Weber数为3-88. 结果表明, 液滴受到重力、表面张力及流动性的影响, 在蒸发过程的大部分时间内, 水滴高度持续降低而接触直径几乎不变; 蒸发后期, 液滴发生回缩, 水滴的接触直径、高度和接触角出现振荡现象. 乙醇液滴的接触角随时间的增加呈现先减小随后保持不变的趋势, 而接触直径和高度则持续减小, 直到液滴完全蒸发. 液滴蒸发总时长与液体物性和壁面温度有关, 随壁面温度的升高而减小, 与液滴撞击壁面时的Weber 数无关. 同时, 随着壁面温度的升高, 液滴显热部分占总换热量的比重增大, 显热部分能量不可忽略, 本文实验条件下得到水滴的平均热流密度为0.014-0.110 W·mm^-2.     

声悬浮液滴的表面毛细波及八阶扇谐振荡

采用声悬浮方法研究了自由液滴表面的毛细波形成机理,并利用主动调制声场技术激发了液滴的八阶扇谐振荡.实验结果表明,当声场调制频率接近液滴本征频率的两倍时,液滴将由轴对称受迫振荡向非轴对称扇谐振荡模态转变.实验与理论分析证实,参数共振是毛细波与扇谐振荡的形成原因.扇谐振荡的本征频率随液滴赤道半径的增大而减小,可通过修正的Rayleigh方程来描述. 关键词： 声悬浮 液滴 毛细波 扇谐振荡     

声悬浮高温小球轴向稳定性研究

针对驻波声悬浮高温小球的轴向稳定性,建立了声-热-流-重力场耦合的物理模型,采用有限元方法计算了高温小球周围空间的不均匀温度场和声场,分析了驻波声场中直径2 mm的氮化硅小球在300～2000 K温度区间的轴向悬浮稳定性,并通过常温下声悬浮实验验证了仿真模型的准确性。结果表明在初始悬浮间距满足谐振并保持不变的条件下,随着悬浮小球的温度升高,小球的平衡位置降低,并且存在能保持稳定悬浮状态的温度最大值。在小球升温的过程中,通过反馈调节发射端-反射端间距和发射端激励电压,可以在一定程度上保持高温小球的轴向悬浮稳定性。     

莱氏悬浮液滴振动模式及形状阈值探讨

针对液滴的"莱顿弗罗斯特效应",在研究悬浮液滴振动模式基础上,探讨了星星状液滴各发展阶段的阈值半径,发现了悬浮水滴各振动模式与半径区间的对应规律.理论和实验指出悬浮液滴被两个阈值分为三种主要模式;半径小于下阈值,悬浮液滴因表面张力缩成水珠状;半径大于上阈值,液滴内外气压差过零,破坏原有振动,表现为液滴底部产生大气泡的现象.悬浮液滴处于两模式间时,形成"莱顿弗罗斯特星",星星角数随半径的增大而线性增加;多角数星星随蒸发进行转变为少角数星星.     

溶液液滴蒸发变干的环状沉积

液体蒸发驱动的颗粒自组装现象在许多的工业技术中有重要应用. 本文利用显微镜观测含有颗粒物质的液滴变干后留在固体表面的颗粒形成的环状沉积图案. 采用微米粒径的SiO₂小球水溶液液滴蒸发变干模拟咖啡环的形成过程, 结果发现液滴蒸发过程中接触线的钉扎是环状沉积的必要条件. 在液滴蒸发过程中颗粒随着补偿流不断的向液滴边缘移动, 聚集在接触线处形成环. 液滴蒸发变干后残留在液滴内部的颗粒数随颗粒质量分数的增加而增加, 可以达到单层的颗粒排列. 而玻璃衬底上的颗粒环在颗粒质量分数很小时, 形成单层排列, 且一排一排地生长. 蒸发过程中颗粒环由于液滴边缘的尺寸限制向液滴中心缓慢移动. 这会导致液滴中不同大小颗粒的分离. 关键词： 液滴 接触线 蒸发 颗粒     

时均流激声发动机声场特性实验研究

时均流激声发动机利用流体诱导声振荡效应把自然界的风和管道气体的动能转化为声场能,可驱动热声制冷机制冷或驱动发电机和换能器发电,为风能利用提供了新思路。在国内首次搭建了正十字型时均流激声发动机实验台,以一台高压风机提供的气流模拟自然风,获得了稳定的驻波声场。在此基础上,揭示了时均流速、平均压力、斯特劳哈尔数等对时均流诱导声振荡的影响。在平均压力为106.19 kPa、时均流速为50.52 m/s、谐振管长度为0.96 m的条件下,该正十字型时均流激声发动机谐振管内的压力振幅达6.20 kPa,约为平均压力的5.80%,为时均流激声发动机驱动发电装置和热声制冷研究奠定了实验基础。     

液态五元Ni-Zr-Ti-Al-Cu合金快速凝固过程的高速摄影研究

采用电磁悬浮和自由落体两种无容器熔凝技术,并借助高速摄影实时分析方法,研究了液态五元Ni_(40)Zr_(28.5)Ti_(16.5)Al_(10)Cu_5合金的深过冷能力和快速凝固机制.在电磁悬浮条件下,液态合金的过冷度可达290 K(0.21T_L).当深过冷熔体快速凝固时,高速摄影观察发现悬浮液滴表面呈现点状和环状两种区域形核方式.合金的快速凝固组织由初生Ni_3Ti相、次生Ni_(10)Zr_7相和(Ni_(10)Zr_7+Ni_(21)Zr_8)共晶组成.初生Ni3Ti相以枝晶方式生长,枝晶生长速度随熔体过冷度的增大以幂函数关系单调递增,最高可达12 mm/s,同时其体积分数逐渐减小至13.4%,并发生显著组织细化.在自由落体条件下,尽管合金液滴凝固组织的相组成并未发生变化,但随着过冷度的增大,初生Ni_3Ti相的生长被抑制,凝固组织由晶态向非晶态转变,且非晶相的体积分数线性增大.当直径小于275μm时,合金液滴实现了完全非晶态凝固.     

燃油液滴蒸发的一维导热模型与压力效应

考虑液滴内一维瞬态导热以及液滴,气流热物性随温度与组分的变化,建立了对流热环境中燃油液滴的蒸发计算模型.以柴油液滴为例,通过数值模拟,分析了蒸发过程中液滴内部的瞬态热响应,考察了不同条件下的环境压力效应.结果表明,对流蒸发过程中,燃油液滴内部温度梯度很大,导热作用明显;在温度不同的气流环境中,环境压力效应存在非单调性;压力效应发生转捩的气流温度与液滴初始粒径和气流速度相关.     

Containerless solidification of acoustically levitated Ni–Sn eutectic alloy

Containerless solidification of Ni–18.7at%Sn eutectic alloy has been achieved with a single-axis acoustic levitator. The temperature, motion, and oscillation of the sample were monitored by a high speed camera. The temperature of the sample can be determined from its image brightness, although the sample moves vertically and horizontally during levitation. The experimentally observed frequency of vertical motion is in good agreement with theoretical prediction. The sample undergoes shape oscillation before solidification finishes. The solidification microstructure of this alloy consists of a mixture of anomalous eutectic plus regular lamellar eutectic. This indicates the achievement of rapid solidification under acoustic levitation condition.     

含半圆弧形腔的量子波导中声学声子输运和热导特性

采用散射矩阵方法,研究了在应力自由和硬壁两种典型的边界条件下含半圆弧形腔的量子波导中声学声子输运和热导性质.结果表明在两种边界条件下声子透射谱和热导有着不同的特征.在应力自由边界条件下,能观察到普适的量子化热导现象,当结构为一理想的量子线时,在低温区域有一个量子化平台出现,而当半圆弧形结构存在时,非均匀横向宽度引发的弹性散射使得量子化平台被破坏;在硬壁边界条件下,不可能观察到量子化热导现象,热导随温度的增加单调上升;计算结果表明还可以通过调节半圆弧形结构的半径来调控声子的输运概率和热导. 关键词： 声学声子输运 热导 量子体系     

Specific heat and related thermophysical properties of liquid Fe-Cu-Mo alloy

The specific heat and related thermophysical properties of liquid Fe77.5Cu13Mo9.5 monotectic alloy were investigated by an electromagnetic levitation drop calorimeter over a wide temperature range from 1482 to 1818 K. A maximum undercooling of 221 K (0.13 Tm) was achieved and the specific heat was determined as 44.71 J·mol-1·K-1. The excess specific heat, enthalpy change, entropy change and Gibbs free energy difference of this alloy were calculated on the basis of experimental results. It was found that the calculated results by traditional estimating methods can only describe the solidification process under low undercooling conditions. Only the experimental results can reflect the reality under high undercooling conditions. Meanwhile, the thermal diffusivity, thermal conductivity, and sound speed were derived from the present experimental results. Furthermore, the solidified microstructural morphology was examined, which consists of (Fe) and (Cu) phases. The calculated interface energy was applied to exploring the correlation between competitive nucleation and solidification microstructure within monotectic alloy.     

声悬浮过程的激光全息干涉研究

利用二次曝光全息干涉术实现了对单轴式声悬浮声压场的研究.分别拍摄了悬浮不同物体和 不同输出功率情况下声悬浮场的多幅全息图，并进行了对比分析.结果表明，实验中获得的 声压分布图样与由声波动方程获得的理论声压分布基本一致，其相应中轴线的强度分布也具 有很好的一致性.与以往的声场测量方法相比，二次曝光法非接触、无干扰及全场测量的优 势在声悬浮场测量中得以充分体现，该方法的引入不但简化了声悬浮场测量的实际操作，而 且可以更直观地获得全场信息，为优化声悬浮系统提供了实验依据. 关键词： 全息干涉术 二次曝光法 声悬浮 谐振     

Phase equilibrium measurements of acoustically levitated squalane–CO2 mixtures by Raman spectroscopy

This work describes the phase equilibrium measurements of acoustically levitated binary mixtures with concentration measurements using Raman spectroscopy without sample extraction of the autoclave. The levitator design is implemented in a Single‐Droplet Optical Cell for levitation processes under varying atmospheres. The advantages of acoustic levitation of small droplets under increased temperatures and pressure combined with spectroscopic applications like Raman spectroscopy enable novel experiments possibly relevant to the fields of chemical engineering. To the author's knowledge, this is the first use of Raman spectroscopy for phase equilibria investigations on acoustically levitated droplets under high pressure and temperature. The results show very good agreements with literature data. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

声悬浮研究新进展

建立了单轴式声悬浮的参数化模型和边界元算法，对单轴式声悬浮进行了优化设计，可以悬浮起密度高达18．9g/cm^3的金属钨。研究了声悬浮条件下非金属材料和低熔点金属的无容器处理。     

气体物理性质对近场超声悬浮特性的影响研究

在利用近场超声悬浮技术搬运晶圆的过程中,为提高近场超声悬浮力,该文研究了气体物理性质与近场超声悬浮力之间的关系。利用声辐射压理论与流体力学理论对不同气体介质下的悬浮力进行建模与求解。搭建了可测量不同气体环境中悬浮力的实验平台。实验发现氩气环境下超声悬浮力平均值相对空气环境下提升24.8%。结合实验与理论计算分析了气体密度、比热容比、声速与动力黏度对悬浮力的影响,推断气体的比热容比为影响近场超声悬浮力的主要参数。该方法为晶圆搬运的环境适用性提供了参考价值。     

液态Ti-Al合金的深过冷与快速枝晶生长

采用电磁悬浮和自由落体两种试验技术研究了液态Ti-25 wt.%Al合金的亚稳过冷能力、晶体形核机制和枝晶生长过程. 试验发现, 即使电磁悬浮无容器状态下仍难以消除润湿角θ ≥60°的异质晶核, 合金熔体过冷度可达210 K (0.11T_L). β-Ti相形核的热力学驱动力随过冷度近似以线性方式增大, 其枝晶生长速度高达11.2 m/s, 从而在慢速冷却条件下实现了快速凝固. 理论计算表明, 随着过冷度的逐步增大, β相枝晶生长从溶质扩散控制转变为热扩散控制. 当过冷度超过100 K时, 非平衡溶质截留效应可使合金熔体发生无偏析凝固. 然而, 单靠深过冷状态不足以抑制β相的后续固态相变. 对于落管中快速凝固的直径77-1048 μm合金液滴, 其冷却速率最高达1.05×10⁵ K/s, 深过冷与快速冷却的耦合作用能更有效地调控凝固组织形成过程.     

声悬浮过程的格子Boltzmann方法研究

采用轴对称多弛豫时间格子Boltzmann(LB)方法,研究了圆柱形封闭谐振腔中圆盘形样品的声悬浮过程.模拟结果表明,(001)模式下谐振腔的共振长度L=0.499λ,在谐振腔中心引入样品后共振漂移量δL≈-0.9,这与线性声学理论计算结果基本相符.声悬浮力的LB模拟过程包含了黏滞性效应和共振漂移效应,所获得的模拟结果与理论公式计算值在量值上一致,而且其在细节上更符合实验现象.此外,LB模拟还揭示出了声悬浮过程中的声压波形畸变、声流和声辐射压等非线性声学效应.     

液体材料超声处理过程中声场和流场的分布规律研究

针对合金熔体等液体材料的超声处理过程,选取水作为透明模型材料,采用数值模拟计算和示踪粒子实验方法,研究了20和490 kHz两种频率超声作用下水中的声场和流场分布.结果表明,增大变幅杆半径能够提高水中声压水平,扩大空化效应的发生区域.当超声频率为20 kHz时,水中声压最大值出现在超声变幅杆下端面处,且声压沿传播距离的增大而显著减小.如果超声频率增加至490 kHz,水中的声压级相比于20 kHz时明显提高,且声压沿着超声传播方向呈现出周期性振荡特征.两种频率超声作用下水中的流场呈现相似的分布特征,且平均流速均随着变幅杆半径增大表现出先升高后降低的趋势.变幅杆半径相同时,20 kHz频率超声作用下水中的平均流速高于490 kHz频率超声.采用示踪粒子图像测速技术实时观察和测定了水中的流速分布,发现其与计算结果基本一致.